Eigenschaften, Arten und Anwendungen von Duplexstahl

Duplex-Edelstahl vereint die besten Eigenschaften zweier verschiedener Edelstahlsorten. Er kombiniert zwei Gefüge, genannt Austenit und … Ferrit, Nahezu gleichermaßen. Aufgrund seiner Festigkeit und Zähigkeit wird es in vielen Branchen für Großprojekte an anspruchsvollen Standorten eingesetzt. Die Verwendung dieses robusten Stahls spart Kosten, da Bauherren dünnere Bleche verwenden und dennoch hervorragende Ergebnisse erzielen können.

Was versteht man unter Duplexstahl?

Duplexstahl ist ein spezieller Edelstahl mit zweiphasiger Struktur. Er besteht etwa zur Hälfte aus Austenit und zur Hälfte aus Ferrit. Daher der Name Duplex, was „zweiphasig“ bedeutet.

Der Ferritanteil verleiht dem Stahl seine hohe Festigkeit und schützt ihn vor Spannungsrissen. Dies ist insbesondere bei großen Konstruktionen wichtig. Der Austenitanteil macht den Stahl zäh und schützt ihn vor Rost an vielen Stellen, beispielsweise bei Kontakt mit Salzwasser.

Diese leistungsstarke Kombination macht Duplexstahl deutlich besser als herkömmlichen Edelstahl. Duplexstahl ist doppelt so fest wie gängige Edelstähle. 304. Durch diese zusätzliche Festigkeit können dünnere Metallstücke verwendet werden. Das spart Geld und Gewicht.

Ist 304 ein Duplex-Edelstahl?

Nein, 304 ist kein Duplex-Edelstahl. Güteklasse 304 ist ein austenitischer Edelstahl. Es besitzt eine einphasige Struktur, die hauptsächlich aus Austenit besteht. Im Gegensatz zur ausgewogenen zweiphasigen Struktur von Duplexstahl enthält 304 ausschließlich die austenitische Phase. 

Eigenschaften von Duplex-Edelstahl

Chemische Zusammensetzung

Duplexstahl enthält spezielle Legierungsbestandteile, darunter Chrom, das bei den Legierungen 18% bis 29% den Hauptbestandteil bildet. Es bildet eine Schutzschicht, die Rost verhindert.

Molybdän erreicht einen Wert von bis zu 5%, wodurch es sich besser zur Bekämpfung von Lochfraß eignet, der bei Korrosion des Metalls entstehen kann.

Durch die Zugabe von Stickstoff wird der Austenitanteil noch fester und rostbeständiger.

Nickel wird in geringen Mengen verwendet. Es trägt zum Ausgleich der Zweikomponentenstruktur bei und macht Duplexstahl im Vergleich zu einigen anderen hochfesten Edelstählen kostengünstiger.

Stärke und Zähigkeit

Duplexstahl ist extrem fest. Seine Streckgrenze, also der Punkt, an dem er sich dauerhaft verbiegt, liegt bei etwa 400 bis 700 MPa. Diese enorme Festigkeit ist doppelt so hoch wie die von herkömmlichem Edelstahl.

Durch seine hohe Festigkeit können Ingenieure weniger Material für ein Projekt verwenden, was Kosten und Gewicht spart.

Rostet Duplexstahl?

Duplexstahl ist zwar sehr korrosionsbeständig, aber nicht vollständig rostfrei. Der Chromgehalt bildet eine schützende Passivschicht, die Rost in den meisten Umgebungen verhindert. Wird diese Schutzschicht jedoch beschädigt, kann es zu Korrosion kommen. Die Zugabe von Molybdän und Stickstoff verbessert die Beständigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion deutlich.

Bearbeitbarkeit des Stahls

Da Duplexstahl so fest ist, gestaltet sich das Schneiden und Formen etwas schwieriger als bei anderen Edelstählen. Aufgrund seiner Zähigkeit ist zum Schneiden mehr Kraftaufwand nötig. Die Arbeiter benötigen daher sehr scharfe Werkzeuge und müssen langsamer arbeiten, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Zudem ist der Einsatz von reichlich Kühlmittel unerlässlich, um eine Überhitzung des Metalls während des Schneidprozesses zu verhindern.

Arten und Güteklassen von Duplex-Edelstahl

Die Wahl des Duplexstahls hängt von seiner Korrosionsbeständigkeit, insbesondere gegen Lochfraß, ab. Wissenschaftler verwenden hierfür die Kennzahl PREN (Pitting Resistance Equivalent Number). Ein höherer PREN-Wert bedeutet besseren Schutz.

Welche 4 Arten von Duplexstahl gibt es?

Die grundlegenden Arten von Duplex-Edelstahl sind:

Schlankes Duplex

Dieser Edelstahltyp hat einen niedrigeren PREN-Wert und verwendet kostengünstigere Werkstoffe wie Nickel und Molybdän. Er ist hervorragend geeignet, da er dennoch doppelt so fest wie Standard-Edelstahl 304 ist, eignet sich aber am besten für Bereiche mit nur geringer Korrosionsbelastung, wie beispielsweise alltägliche Lagertanks.

Standard-Doppelhaus

 Dies ist die beliebteste Sorte, wobei die Güteklasse 2205 am häufigsten verwendet wird. Sie bietet das beste Verhältnis von Kosten, Festigkeit und Rostschutz. Sie eignet sich hervorragend für Umgebungen mit Salzwasser oder chloridhaltigen Chemikalien.

Super Duplex

 Dieser Stahl enthält mehr Chrom und Molybdän, was ihm einen höheren PREN-Wert verleiht und ihn sehr widerstandsfähig gegen Lochfraß und Spannungsrisse macht. Er wird für anspruchsvollste Anwendungen in stark beanspruchten Umgebungen eingesetzt.

Hyper Duplex

Hyperduplexstahl bietet eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit. Er ist die teuerste Duplexstahlsorte, da er den höchsten Anteil an speziellen Legierungsbestandteilen enthält. Daher wird er in Geothermalkraftwerken eingesetzt.

Ist Duplex besser als Edelstahl?

Für Öl- und Gasprojekte sowie die chemische Verarbeitung ist Duplexstahl besser geeignet als 304 und Edelstahl 316. Für formbare und kostengünstigere Anwendungen sind jedoch austenitische Edelstähle besser geeignet.

Worin besteht der Unterschied zwischen Duplex- und 316-Stahl?

 Der Hauptunterschied zwischen Duplexstahl und 316-Stahl beruht auf drei Aspekten: Struktur, Festigkeit und Kosten.

Struktur

Duplex besitzt eine gemischte Ferrit-Austenit-Struktur, wohingegen 316 vollständig austenitisch ist.

Stärke

 Die Streckgrenze von Duplex beträgt 400-700 MPa und ist damit etwa doppelt so hoch wie die von 316 mit 200-300 MPa.

Korrosionsbeständigkeit

 Duplex ist widerstandsfähiger gegen Spannungsrisskorrosion und Lochfraß in chloridhaltigen Umgebungen und ist daher bei der Verwendung in Salzwasser überlegen.

Nickelgehalt

 Bei 316 ist der Nickelgehalt 10-14% höher als der Duplexgehalt 4-7%, was 316 teurer macht.

Tieftemperaturverhalten

 316 ist bei niedrigeren kryogenen Temperaturen zäher, und Duplexstahl kann unterhalb von -50 °C spröde werden.

Kosten

 Duplex ist vor allem wegen des geringeren Nickelgehalts günstiger und bietet in den meisten Anwendungsbereichen eine überlegene Leistung.

Anwendungsgebiete von Duplex-Edelstahl

Wozu wird Duplex verwendet?

Die Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit von Duplexstahl macht ihn ideal für anspruchsvolle Branchen:

• Öl-und Gasindustrie: Wird eingesetzt in Offshore-Plattformen, Unterwasserpipelines und Druckbehältern, wo die hohe Festigkeit das Bauteilgewicht reduziert und so die Installation auf See erleichtert.
• Chemische Verarbeitung: Sie werden in Reaktoren und Lagertanks für korrosive Säuren eingesetzt, wo ihre lange Lebensdauer die Wartungskosten senkt.
• Marine-Anwendungen: Unverzichtbar für Entsalzungsanlagen, Schiffe und Küstenbauwerke, die korrosivem Salzwasser ausgesetzt sind.
• Energieerzeugung: Wird in Rauchgasentschwefelungsanlagen und Kühlkreisläufen eingesetzt, wobei Superduplex-Sorten für Geothermieanlagen verwendet werden.
• Bergbau: Anwendung findet es in Auslaugungstanks und Rührwerken, die mit sauren Schlämmen und abrasiven Materialien arbeiten.

Herstellung und Verarbeitung von Duplex-Edelstahl

Die Herstellung von Duplexstahl erfordert sorgfältige Arbeitsschritte, um die perfekte zweiteilige Struktur zu erzielen.

Schmelzen

Die Arbeiter beginnen damit, Rohstoffe wie Eisen, Chrom und Nickel in riesigen Öfen zu schmelzen. Sie müssen die Mengen der einzelnen Zutaten sorgfältig abstimmen, um die richtige chemische Zusammensetzung des Stahls zu erreichen.

Gestaltung 

Anschließend wird der Stahl auf eine hohe Temperatur von etwa 1050 °C bis 1250 °C erhitzt. Danach wird er zu Platten, Stangen oder Rohren gewalzt oder geschmiedet. Die hohe Temperatur sorgt dafür, dass der Stahl weich genug bleibt, um ohne Rissbildung geformt zu werden.

Wärmebehandlung

Die Wärmebehandlung mit anschließendem Glühen ist ein wichtiger Schritt bei Duplexstahl. Dabei wird der Stahl erneut stark erhitzt und anschließend mit Wasser schnell abgekühlt. Diese abrupte Abkühlung fixiert das zweikomponentige Gefüge aus Austenit und Ferrit (50/50-Mischung). Dadurch erhält der Stahl seine hohe Festigkeit.

Ist Duplexstahl teurer als Edelstahl?

Die Preise für Duplexstahl variieren im Vergleich zu anderen Edelstahlsorten. Aufgrund seines geringeren Nickelgehalts ist er in der Regel günstiger als hochlegierte austenitische Stähle wie 316L. Duplexstahl ist jedoch teurer als herkömmlicher Edelstahl 304. 

Duplexstahl im Vergleich zu anderen Edelstahlsorten

Im Vergleich zu anderen Edelstählen ist Duplex deutlich überlegen. Es ist doppelt so fest wie der Standard-Edelstahl der Güteklasse 304 und schützt daher wesentlich besser vor Rissen durch Chloridspannungen. Während 304 für einfache Projekte günstiger und leichter zu verarbeiten ist, stellt Duplex eine langfristige Lösung dar.

Im Vergleich zu Stahl der Güteklasse 316, der eine bessere Beständigkeit gegen Lochfraß aufweist als Stahl 304, ist Duplexstahl deutlich fester. Zudem enthält Duplexstahl im Vergleich zu Stahl 316 das kostengünstigere Nickel. Dadurch bietet Duplexstahl ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis. Stahl der Güteklasse 316 ist die bessere Wahl für sehr kalte Regionen. Duplexstahl hingegen zeichnet sich durch höhere Festigkeit und eine insgesamt bessere Korrosionsbeständigkeit in Salzwasserumgebungen aus.

Fazit

Duplexstahl zeichnet sich durch hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus und eignet sich daher für viele wichtige und entscheidende Anwendungen. Die Auswahl der passenden Güteklasse erfolgt anhand der PREN-Anforderungen und der jeweiligen Betriebsbedingungen. Hersteller bieten vielfältige Produktformen an, um den weltweiten technischen Anforderungen effizient gerecht zu werden. 

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